气象学报  2016, Vol. 74 Issue (2): 298-308   PDF    
http://dx.doi.org/10.11676/qxxb2016.022
中国气象学会主办。
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朱艺青, 王振会, 李南, 徐芬, 韩静, 楚志刚, 张晗昀, 焦鹏程. 2016.
ZHU Yiqing, WANG Zhenhui, LI Nan, XU Fen, HAN Jing, CHU Zhigang, ZHANG Hanyun, JIAO Pengcheng. 2016.
南京雷达数据的一致性分析和订正
Consistency analysis and correction for observations from the radar at Nanjing
气象学报, 74(2): 298-308
Acta Meteorologica Sinica, 74(2): 298-308.
http://dx.doi.org/10.11676/qxxb2016.022

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收稿日期: 2015-11-18
改回日期: 2016-02-03
南京雷达数据的一致性分析和订正
朱艺青1,2, 王振会1,2 , 李南2, 徐芬3, 韩静2, 楚志刚2, 张晗昀2, 焦鹏程2    
1. 南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心, 中国气象局气溶胶-云-降水重点实验室, 南京, 210044;
2. 南京信息工程大学大气物理学院, 南京, 210044;
3. 江苏省气象科学研究所, 南京, 210009
摘要: 运用几何匹配法处理了南京雷达和热带测雨卫星(Tropical Rainfall Measuring Mission,TRMM)上搭载的测雨雷达(Precipitation Radar,PR)的反射率因子探测资料,统计分析了2008—2013年共245个时次的匹配数据。 以TRMM PR工作多年持续稳定特征为参照,揭示了南京雷达6 a的探测资料情况。结果表明,南京雷达和TRMM PR探测降水具有较强的一致性,6 a时间里南京雷达存在一定的运行不稳定情况,南京雷达0℃层以下数据存在“3段特征”:时段Ⅰ2008年1月—2010年3月,时段Ⅱ2010年3月—2013年5月,时段Ⅲ2013年5—10月。3个时段之间整体回波强度有差异,时段Ⅱ整体回波强度比时段Ⅰ、Ⅲ偏小2—3 dB;而3个时段内的回波整体保持相对的稳定,南京雷达与TRMM PR的回波强度差值随回波强度的变化呈线性关系;在中低回波值时TRMM PR比南京雷达大,在中高回波值时南京雷达比TRMM PR大。基于两种雷达回波强度值的拟合关系,对南京雷达的反射率因子进行分段线性订正,有效地改善了南京雷达的一致性:3个时段回波强度的整体差异减小到0.75 dB以内;在245个匹配时次和105894个匹配点上南京雷达和TRMM PR的反射率因子的相关系数增大,南京雷达-TRMM PR值的标准差减小。
关键词: TRMM PR     南京雷达     反射率因子     拟合订正    
Consistency analysis and correction for observations from the radar at Nanjing
ZHU Yiqing1,2, WANG Zhenhui1,2 , LI Nan2, XU Fen3, HAN Jing2, CHU Zhigang2, ZHANG Hanyun2, JIAO Pengcheng2    
1. Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters, CMA Key Laboratory for Aerosol-Cloud-Precipitation, Nanjing University of Information Science and Technology , Nanjing 210044, China;
2. Institute of Atmospheric Physics, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China;
3. Jiangsu Institute of Meteorological Sciences, Nanjing 210009, China
Abstract: The geometry-matching method is applied to analyze the reflectivity from the radar deployed at Nanjing (GR) and that from the Precipitation Radar (PR) onboard the Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM). In total 245 match-up cases for the period from 2008 to 2013 are obtained and compared using statistical analysis methods. Based on the stability characteristic of TRMM PR, the consistency of radar measurements at Nanjing during the 6-year period is evaluated. The results reveal that the TRMM PR is well corresponding to GR in detecting rainfall. However, GR demonstrated a certain degree of unstable performance from 2008 to 2013. The below-BB-height data from the radar at Nanjing show a "three-stage" feature, i.e., Stage Ⅰ from January 2008 to March 2010, Stage Ⅱ from March 2010 to May 2013,and Stage Ⅲ from May 2013 to October 2013. Distinct differences in overall reflectivity factor can be found among the three stages, and overall reflectivity factor in Stage Ⅱ is smaller than StagesⅠand Ⅲ by 2-3 dB, but overall reflectivity within each stage remains relatively stable. The difference inreflectivity factor between measurements from the radar at Nanjing and that from the TRMM PR varies with increases in echo intensity and shows a linear relationship. The reflectivity factor of TRMM PR surpasses that of radar measurements at Nanjing when intensity echoes are low, while for high intensity echoes the reflectivity factor from the radar at Nanjing surpasses that from TRMM PR. Based on the fitting relationship between reflectivity factors of the two radars, a multiple-segment piecewise linear correction is applied to the reflectivity from the radar at Nanjing. This method can effectively improve the consistency of data from the radar at Nanjing. The difference in overall reflectivity among the three stages is reduced to less than 0.75 dB, while correlation coefficients of mean reflectivity factor for the 245 match-up cases and the 105894 match-up points are both improved. Standard deviations of reflectivity differences (GR-TRMM PR) for the 245 match-up cases and the 105894 match-up points are reduced, too.
Key words: TRMM PR     Nanjing Radar     Reflectivity factor     Fitting correction    
1 引 言

中国是暴雨、台风、冰雹等中尺度灾害性天气多发国家,联合多种探测手段对中尺度强降水进行实时监测可提高降水预报的准确性和精确度。随着大气探测技术的发展,新一代多普勒雷达、气象卫星技术的推广应用对降水监测的能力有了很大的提升。由于单站雷达的探测范围有限,多部天气雷达组网联合探测是提高对中尺度灾害性天气的研究以及预警能力有效的手段之一。但各站点雷达受到如雷达参数欠定标、波束阻挡、杂波干扰、雷达测雨空间不均匀(张凌等,2003)、探测目标物的方向不同等众多因素的影响,导致各站点雷达观测结果的不同,参与组网的多部雷达的数据一致性很差。尤其中国天气雷达组网的各雷达之间没有做统一标定,雷达资料一致性较差,雷达拼图效果不好,在数值模式同化的业务应用中受到限制(史锐等,2004)。

1997年发射成功的热带测雨卫星(Tropical Rainfall Measuring Mission,TRMM)上携带的测雨雷达(Precipitation Radar,PR),可提供三维降水信息,其覆盖面积广,可覆盖38°N以南的区域(王振会,2001何会中等,2004),工作持续稳定运行多年,经过了美国地基主动式雷达定标系统的精确定标(GSFC,2011),星载雷达测量数据一致性好、可靠性较高(Kim et al,2014),为TRMM PR和中国多部地基雷达多年探测的降水回波资料比较提供了可能。

中国,TRMM PR资料已经被用于与地面观测资料的对比分析,例如:对武汉(Cheng et al,2001)、青藏高原(冯锦明等,2001)、阜阳(王成刚等,2003)、香港(何会中等,2002)、上海(王振会等,2015)等地降水个例的回波结构、强度等特征分析;联合其他探测资料如TRMM上搭载的微波成像仪(TRMM Microwave Imager,TMI)、地面雨量计等分析中国南方多年降水特性(刘鹏等,20102012成璐等,2014)、暴雨个例(傅云飞等,2003李德俊等,2010周淼等,2014)、冰雹个例(何文英等,2006)、雷电和降水个例(马明等,2012)等。这些研究主要是集中在使用TRMM PR资料分析天气过程个例或气候降水特征,对TRMM PR和地基雷达进行长期稳定性和偏差对比分析目前在中国还很少。

国际上,有大量的关于美国雷达WSR-88D与TRMM PR的对比验证工作,尤其是Texas、Florida、Kwajalein、Darwin四个验证站中WSR-88D雷达数据。TRMM PR与地基雷达的匹配方法主要有两种:网格匹配法(Bolen et al,2000; Heymsfield et al,2000; Anagnostou et al,2001; Liao et al,2001;Wang et al,2009)和空间匹配法(Schumacher et al,2000; Houze et al,2004)。2008年以后,全球降水测量计划(Global Precipitation Measurement,GPM)组建的校验网络(Validation Network,VN)系统采用更优越的几何匹配法(Schwaller et al,2011GSFC,2011王振会等,2015)。Kim等(2014)使用校验网络系统对韩国境内多部地基雷达和TRMM PR进行匹配。

基于以上的研究,可以把多年稳定运行的TRMM PR作为中国地基雷达数据一致性分析的参考标准,通过对单站地基雷达和TRMM PR进行时空匹配,分析地基雷达的一致性、稳定性和偏差,提高星载雷达和单站地基雷达的一致性,从而可以提高中国目前雷达网资料的一致性。

文中使用2008—2013年南京龙王山雷达和TRMM PR资料,利用几何匹配法对两雷达进行时空匹配,验证两雷达探测回波的一致性以及多年工作的稳定性,定量分析两雷达的反射率因子差异,拟合两雷达反射率因子的偏差订正关系并对南京雷达回波值做线性订正。统计分析多年南京雷达数据的订正效果,并对2010年6月8日16时08分(世界时,下同)和2010年3月23日07时03分两个匹配时次TRMM PR与订正前后的南京雷达回波特征进行对比分析。

2 雷达数据和匹配方法2.1 雷达数据 2.1.1 TRMM PR

TRMM的轨道倾角约为35°,在高度为350 km(2001年8月调整为403 km)的圆形轨道上运行,探测纬度范围38°S—38°N,每天环绕地球16圈。TRMM PR探测时以±17°天顶角、垂直于轨道的方向进行扫描,扫描宽度为215 km,发射波长为2.2 cm的电磁波(Ku波段),最小可测的反射率因子值为18 dBz(Kozu et al,2001),探测精度在±1 dBz。

本研究使用的TRMM PR探测数据产品是 2008—2013年第7版的1C21和2A25,分辨率均为4.5 km×4.5 km×250 m,数据以地球坐标系下的经度、纬度和高度的格式保存。其中,一级产品1C21是TRMM PR探测得到的反射率因子;二级产品2A25是经过衰减订正的反射率因子(王振会,2001),2A25是1C21经过Hitschfeld-Bordan方法(Hitschfeld et al,1954)和地面参考法(Meneghini et al,2000)衰减订正等处理方法得到的。在比较TRMM PR和地基雷达的反射率因子时,需要充分考虑TRMM PR的衰减、质量控制等方面的影响。因此,使用经过衰减订正、质量控制、波束订正以及地物杂波剔除等方面处理的2A25与地基雷达的反射率因子作对比,1C21仅作为备查资料。文中所使用的TRMM PR数据产品以及数据说明均可通过TSDIS(TRMM Science Data and Information System)下载。

2.1.2 地基雷达

南京雷达(CINRAD-SA,记为GR)位于龙王山(32.19°N,118.64°E)上,海拔高度为138.2 m,发射波长为10 cm的电磁波(S波段),以体扫模式得到三维空间回波资料,在有效探测半径(230 km)内反射率因子产品的分辨率约为1°×1 km,数据以极坐标格式存储。

文中使用的2008—2013年南京地基雷达的反射率因子产品经过了SWAN(Severe Weather Nowcast System)系统的质量控制处理,有效地过滤了孤立噪声回波并抑制了非气象回波(吴涛等,2013),提高了地基雷达数据的准确性和可靠性。

2.2 几何匹配法介绍

在TRMM PR探测的纬度范围内,任意给定地基雷达地理位置每天会有1—3次的观测轨道在其附近经过(Negri et al,2002)。地基雷达和TRMM PR的扫描方式和数据存储格式不同,使用几何匹配法对两种雷达的反射率因子数据进行重采样,地基雷达和TRMM PR的扫描波束在几何空间上重合的且回波均匀的空间即为有效匹配点(图 1)。每一个匹配空间的水平分辨率是TRMM PR星下点的水平分辨率(PR波束展宽),垂直分辨率是南京雷达探测资料距雷达中心不同距离处的垂直分辨率(南京雷达波束展宽)。匹配算法由全球降水计划(GPM)的校验网络系统完成,具体介绍可参考Schwaller等(2011)王振会等(2015)

图 1 几何匹配法示意图(Schwaller et al,2011)
(实线是PR扫描波束,虚线是地基雷达波束,阴影部分是重合区域)
Fig. 1 Schemetic program of the geometry-matching method(Schwaller et al,2011)(Solid lines represent PR scanning beam,and dotted lines represent GR sweeps; the shaded area represents overlap area)

文中南京雷达与TRMM PR的匹配在以南京雷达为中心、半径为100 km的区域内进行。当一个时次里两雷达的有效匹配点超过100个,该时次即为有效匹配时次。匹配点的TRMM PR和南京雷达反射率阈值分别设为18和15 dBz(Morris et al,2011),否则为无效匹配点。对南京雷达和TRMM PR进行时间匹配时,根据TRMM PR飞过南京雷达位置的时间(精确到秒)以及南京雷达体扫的开始时间(精确到分),尽可能挑选与TRMM PR飞过时间最邻近的南京雷达体扫数据。由于地基雷达6 min产生一个体扫数据,因此TRMM PR扫过匹配区域的时间与南京雷达开始体扫时间的差在±6 min内才可能有效。6 min时间窗是指理论上TRMM PR和南京雷达探测的时间差最大为6 min。文中统计的6 a的匹配时次南京雷达和TRMM PR的探测时间差平均值为1.5 min。

0℃层亮带及0℃层以上的回波强度会因为粒子形状、波束相交重合度低等因素而影响地基雷达与星载雷达对比的复杂性。因此,主要研究0℃层亮带以下的有效匹配数据。

3 统计分析3.1 六年样本数据

经资料海选以及校验网络系统的匹配,6 a(2008—2013年)中0℃层亮带以下共有260个有效匹配的时次,具体的每年有效匹配时次数见表 1,平均每年的有效匹配时次数约40个。

表 1 2008—2013年每年有效匹配的时次数 Table 1 Effective match-up cases from 2008 to 2013
年份200820092010201120122013
时次数293347644938

对单一有效的匹配时次里所有匹配对应点的TRMM PR和南京雷达的反射率因子分别求平均,可得该时次的TRMM PR和南京雷达的平均反射率因子。同时,求出对应时次的南京雷达与TRMM PR的平均反射率因子差,记作ZGR-PR图 2是2008—2013年共260个时次的TRMM PR和南京雷达的平均反射率因子以及ZGR-PR的时间序列。

图 2 2008年1月—2013年10月所有匹配时次0℃层亮带以下TRMM PR(a)和南京雷达(b)的平均反射率因子以及ZGR-PR时间序列(c)
(图a和b中横虚线是平均反射率因子的极小值连线,图c的横实线是ZGR-PR的分时段均值线)
Fig. 2 Time series of below-bright band height mean reflectivity factor of all the match-up cases of TRMM PR (a), GR(b) and ZGR-PR (c) from January 2008 to October 2013
(The dotted lines in figures "a" and "b" represent the minimal of mean reflectivity; the solid lines in figure "c"represent the average of ZGR-PR)

图 2ab对比表明,南京雷达探测数据的时间序列起伏特征基本上和TRMM PR一致。只是其差异(即ZGR-PR)存在明显的“三段特征”(图 2c)。

(1)一致性分析

图 2ab对比可得,南京雷达平均反射率因子的时间序列波动特征基本和TRMM PR是一致的。例如在2010年末和2011年初,两雷达的平均反射率因子均有一段时间的低值区,波动起伏的发展趋势相似;而在一些时次,两雷达的平均反射率因子的峰值位置也一一对应。TRMM PR和南京雷达在260个匹配时次的平均反射率因子的相关系数为0.92(由图 2ab计算),说明两雷达探测降水回波具有良好的一致性。

(2)稳定性分析

单一时次的平均反射率因子的大小反映的是该时次内回波强度的平均情况。平均反射率因子越大,说明该时次内,强回波的点或者对流云(一般认为35 dBz以上)的点占全部有效匹配点的比例越高。计算中选定了南京雷达和TRMM PR反射率因子的有效阈值分别是 15和18 dBz,对于以弱回波或者层云(一般认为25 dBz以下)为主的时次,平均反射率因子不会低于TRMM PR的阈值18 dBz(南京雷达为15 dBz)。因此,雷达探测的单一时次的平均反射率因子有下限,且该下限值应略高于雷达的反射率因子阈值。假设雷达是长期稳定工作,对于弱回波的层云时次,其平均反射率因子的下限值也应该是保持稳定的。图 2a中的横虚线表示TRMM PR多年内平均反射率因子极小值的估值(20.5 dBz),此估值即为TRMM PR的平均反射率因子的下限值。由图可知,TRMM PR多年多个的平均反射率因子的极小值均在此均值线上,可认为TRMM PR 2008—2013年的运行工作是持续稳定的。而图 2b中雷达的平均反射率因子极小值的估值线随时间有比较明显的变化,可大致分为3个时段(由竖虚线进行分段,对应时间点分别在2010年3月23日和2013年5月6日)。每个时段内,南京雷达的平均反射率因子的下限值是比较稳定,而3个时段之间的下限值有显著的差异。将南京雷达的平均反射率因子与TRMM PR的平均反射率因子相减可得图 2c,可见其时间序列可划分为同样的3个时段(竖虚线划分)。在3个分段时间内,ZGR-PR的分段均值如横实线所示。3个时段的ZGR-PR均值差异明显,时段Ⅱ内的均值明显小于时段I和时段Ⅲ内的值。这表明,南京雷达工作状态具有明显的“3段特征”,而在各时段内稳定性较好(与TRMM PR有较强的一致性)。

(3)时段

根据上述“3段特征”,将2008—2013年划分为以下3个时段(表 2)。

表 2 2008—2013年分段统计数据 Table 2 Multiple-segmented statistics of Nanjing radar from 2008 to 2013
时段Ⅰ2008年1月—2010年3月时段Ⅱ2010年3月—2013年5月时段Ⅲ2013年5月—2013年10月
时次数(个)6815834
南京雷达的平均反射率因子极小值的估值(dBz)18.616.418.6
ZGR-PR均值(dB)-1.14-4.12-1.45

结合表 2图 2分析可得,TRMM PR多年运行工作稳定,而南京雷达在时段Ⅱ内整体的反射率因子比前、后时段的值偏小2.2 dB,ZGR-PR 偏小2.8 dB,时段Ⅱ整体的回波强度比时段Ⅰ、Ⅲ偏小2—3 dB。

3.2 分段统计分析

分别对3个时段内0℃层亮带以下的两种雷达反射率因子值做进一步的统计分析。以时段最长且匹配时次数最多的时段Ⅱ(2010年3月—2013年5月)为例,结果如下:

ZGR-PR的分布如图 3ZGR-PR的经验分布函数的峰值位置与ZGR-PR的均值线位置(竖直线)相对应,从峰值位置开始曲线分别向两则相对均匀的逐渐下降。使用基于经验累积分布函数的Kolmogorov-Smirnov检验法对样本的经验分布函数进行正态性检验,检验结果表明该时段的样本数据服从正态分布。因此,使用拉依达准则(3σ准则)剔除样本中的异常值。拉依达准则式为

式中,μσ分别代表正态总体x的均值和标准差,P表示正态总体中的数值出现大于μ+3σ或小于μ-3σ的概率是小于0.3%。经使用拉依达准则剔除了样本的异常点后,该时间段内的匹配样本容量由158减少到155。剔除样本中的异常值,可有助于提高计量样本的代表性。
图 3 2010年3月—2013年5月158个时次ZGR-PR的时次数和概率密度函数(柱条是时次数,曲线是概率密度分布函数,竖直线是ZGR-PR均值线) Fig. 3 The number of cases and frequency distribution (158 time levels) of ZGR-PR from March, 2010 to May, 2013.
(The columns represent the number of cases, the curve represents the probability density function, the vertical line represents the average line of ZGR-PR)

图 4是时段Ⅱ的155个时次所有匹配点(共62883个)的ZGR-PR以及匹配点数在每个回波强度区间段的分布。统计中,取南京雷达反射率因子阈值为15 dBz,15—55 dBz每隔5 dB设一个区间段。随着南京雷达反射率因子的增大,匹配点数逐渐减少,南京雷达和TRMM PR的差值从-5.63 dB逐渐增大到1.28 dB。在各时次的所有匹配点里,约60%的匹配点是层云回波(大多在25 dBz以下),不到10%的匹配点是对流云(大多在35 dBz以上)。ZGR-PR随南京雷达反射率因子值的变化趋势表明,回波强度越小,ZGR-PR越小,即对应匹配点上的南京雷达探测值越小于TRMM PR的值;随着回波强度增大,ZGR-PR从负值逐渐增大并转为正值,即对应匹配点上的南京雷达探测值越接近于TRMM PR的值,甚至大于TRMM PR的值。南京雷达探测值在40—45和45—50 dBz区间内,ZGR-PR值从-0.6135 dB逐渐增大到0.6747 dB,说明在45 dBz附近,南京雷达探测值近似等于TRMM PR探测值,并随着回波强度的增强,南京雷达探测值开始大于TRMM PR探测值。

图 4 2010年3月—2013年5月155个时次ZGR-PR值(dB)和匹配点数随南京雷达探测
反射率因子(dBz)的大小的变化(柱条是ZGR-PR,折线是匹配点数)
Fig. 4 Variation of ZGR-PR and the numbers of match-up points with the reflectivity factor from March 2010 to May 2013
(The columns represent ZGR-PR and the line represents the numbers of match-up points)

对比ZGR-PR和匹配点数随回波强度的变化,表明在此时段内ZGR-PR均值(-4.12 dB)主要是由占总匹配点数60%的层云回波点的ZGR-PR贡献所得。因此,ZGR-PR均值只能反映两种雷达在中弱回波(30 dBz以下)或者层云回波的反射率因子的差值,不能体现在中强回波(30 dBz以上)或层积云回波的反射率因子差值情况。

同样方法,发现在时段Ⅰ和Ⅱ内ZGR-PR和匹配点数的分布特征与上述时段Ⅱ的基本相同,3个时段的整体样本容量由260减少到245。

4 订正分析

上文分析表明,ZGR-PR是随回波强度而变化的,当订正两雷达反射率因子的差异时,对匹配时次上所有点的反射率因子整体增减一个数值并不能有效地订正两种雷达值差异。两种雷达反射率因子差异的原因有多种,如不同电磁波段探测降水粒子时产生的米散射效应(Liao et al,2009Li et al,2015)、传感器的极化效应、信号端的衰减效应等(Liao et al,2001)。即使南京雷达和TRMM PR探测资料分别经过校准,采样距离也会引起回波值的差异(Gabella et al,2006)。引起两雷达反射率因子差异的原因是复杂的,故本研究主要从统计上对两雷达的反射率因子做统计分析。由于南京雷达数据的“3段特征”,故进行分段统计分析(3时段所含时次数分别为60、155和30),并进行南京雷达反射率因子的线性订正及订正效果分析。

4.1 订正拟合

以时段Ⅱ探测数据为例,在155个时次中共有62883个匹配点(即南京雷达和TRMM PR的反射率因子),把南京雷达回波强度取值范围[15,54]平分成39个区间,计算每个区间内所有对应匹配点的南京雷达和TRMMM PR均值(图 5中的点)。由于南京雷达回波强度较大时匹配点数较少,两雷达值在高值区对应的位置关系有比较大的起伏,但不会改变两雷达探测结果整体对比的趋势特征,如图 5中虚线所示。

图 5 2010年3月—2013年5月(时段Ⅱ)南京雷达和TRMM PR的反射率因子散点和拟合直线
(虚线是ZGRZPR的拟合直线)
Fig. 5 The comparison of distributions of reflectivity factor values between GR and PR and the fitting line from March 2010 to May 2013
(The points represent the comparison of ZGR and ZPR; the dotted line represents the fitting line of ZGR and ZPR)

据此得到对南京雷达反射率因子的订正式

式中,ZGR0为南京雷达观测值的订正值,订正后的南京雷达记作GR0

同理可得时段Ⅰ和Ⅲ的南京雷达反射率因子的订正式分别为

时段Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的TMRR PR和南京雷达拟合订正式(3)—(5)的相关系数分别为:0.9900、0.9931和0.9839。4.2 六年样本订正及其效果分析

经分段订正后,对所有匹配时次订正后的南京雷达反射率因子(ZGR0)求平均,可得每个时次的均值,同时求出对应时次的ZGR0和TRMM PR的反射率因子差值,记作ZGR0-PR图 6是TMRR PR和订正后南京雷达的平均反射率因子以及ZGR0-PR的时间序列。表 3给出3个时段内ZPRZGR0平均值的极小值的估值以及ZGR0-PR的均值。可见:

图 6 2008—2013年245个匹配时次0℃层亮带以下TRMM PR(a)、订正后南京雷达(b)的平均反射率因子值以及ZGR0-PR时间序列(c)
(图a和b横虚线是平均反射率因子值的极小值估值线,图c的横实线是分时段内ZGR0-PR的均值线)
Fig. 6 Time series of below-bright band height mean reflectivity of all the match-up cases of TRMM PR (a), ZGR0 (b) and ZGR0-PR (c) from January 2008 to October 2013
(The dotted lines in figures "a" and "b" represent the minimal of mean reflectivity; the solid lines in figure "c" represent the average of ZGR0-PR)
表 3 南京雷达订正后分段统计数据 Table 3 Statistics of radar data at Nanjing after multiple-segment piecewise
时段Ⅰ2008年1月—2010年3月时段Ⅱ2010年3月—2013年5月时段Ⅲ2013年5月—2013年10月
订正后平均反射率因子值极小值的估值(dBz)19.819.019.4
ZGR0-PR均值(dB)-0.20-0.75-0.71
表 4 匹配时次的回波类型和时间 Table 4 Echo types and time of match-up cases
回波类型日期TRMM PR轨道号TRMM PR探测时间南京雷达体扫开始时间
层云2010年6月8日7156716时08分19秒16时06分01秒
层积云2010年3月23日7036107时03分51秒07时06分01秒

(1)三个时段的ZGR0平均值的极小值的估值和ZGR0-PR的均值大致相等,而订正前3个时段差异较大。

(2)3个时段245个匹配时次的平均反射率因子值整体差异小0.75 dB,优于订正前(表 2)。相应的ZGR-PR值的标准差从订正前的1.760 dB下降到订正后的1.222 dB。

(3)TRMM PR和南京雷达245个匹配时次的平均反射率因子的整体相关系数订正后为0.956(由图 6ab计算),优于订正前的0.924(由图 2ab计算)。

(4)进一步计算TRMM PR和南京雷达245个匹配时次105894个匹配点上的反射率因子的相关系数,从订正前的0.835增大到订正后的0.850,相应的ZGR-PR的标准差从订正前的3.976 dB下降到订正后的3.538 dB。

可见,以TRMM PR作为南京雷达回波强度的参考,对南京雷达数据分段订正,可有效地改善南京雷达多年降水回波探测的一致性和稳定性。

4.3 个例订正分析

分别选取以层云回波和层积云回波为主的两个匹配时次(表 3),对比分析TRMM PR与订正前、后的南京雷达值的差异以及地基雷达的订正效果。

图 7是2010年6月8日16时08分(属于时段Ⅱ)以层云回波为主的TRMM PR和订正前、后的在0.5°仰角的PPI。图 8图 7,但时间为2010年3月23日07时03分(属于时段Ⅱ)以层积云回波为主的1.5°仰角PPI。采用几何匹配法,将两雷达的反射率因子重采样,得到在南京雷达的PPI的空间位置上的ZPR和订正前的ZGR、后的ZGR0。PPI以南京雷达为中心,距离圈半径分别为50和100 km。

图 7 2010年6月8日16时08分匹配时次的订正前的ZGR(a) 、ZPR(b)和订正后的ZGR0(c)在0.5°仰角的PPI Fig. 7 Geometrically matched ZGR(a), ZPR(b) and ZGR0(c) for the 0.5 elevation sweep of the radar at Nanjing 16:08 UTC 8 June 2010, rendered as PPIs
图 8图 7,仅时间为2010年3月23日07时03分 1.5°仰角PPI Fig. 8 Same as Fig. 7 but for the 1.5 elevation sweep of the radar at Nanjing 07:03 UTC 23 March 2010

图 7以层云回波为主的0.5°PPI图中,订正前ZGR的回波区域小于TRMM PR探测的回波区域,尤其是在以南京雷达为中心东侧的探测区域;南京雷达的回波强度也小于TRMM PR。订正后的ZGR0回波区域分布和回波强度与TRMM PR的大体一致。

图 8以层积回波为主的1.5°PPI中,订正前的南京雷达回波区域以及回波强度均小于TRMM PR,且该时次匹配区域的强回波(红黄色)区域与TRMM PR的相比明显缺失。订正后的南京雷达回波区域分布与TRMM PR大体一致,强回波区域的强度和范围有所增大,但仍小于TRMM PR。

5 结 论

本研究采用2008—2013年的TRMM PR探测数据和经过SWAN系统质量控制的南京雷达探测资料,运用几何匹配法对两雷达的一致性、稳定性和反射率因子差异进行对比分析。结论如下:

(1)南京雷达0℃层亮带以下的数据与TRMM PR具有较强的一致性,其平均反射率因子的时间序列起伏特征基本与TRMM PR的一致,只是其差异(即ZGR-PR)存在明显的“三段特征”(时段Ⅰ:2008年1月—2010年3月,时段Ⅱ:2010年3月—2013年5月,时段Ⅲ:2013年5月—2013年10月);3个时段回波强度的整体差异为2—3 dB。TRMM PR的下限值保持在一个水平线上,表明TRMM PR在6 a里工作状态稳定,可作为地基雷达的参考。

(2)时段Ⅱ(2010年3月—2013年5月)内南京雷达与TRMM PR差异表明在不同回波强度分布下,ZGR-PR随回波强度的增大,从负值逐渐增大到正值,成线性关系。回波强度越小,ZGR越小于对应匹配点的ZPR;当回波强度增大时,ZGR越接近于ZPR,并开始大于ZPR

(3)以TRMM PR为参照,建立了3个时段南京雷达值的线性订正关系。订正后南京雷达回波数据整体一致性得到改善:3个时段回波强度的整体差异从订正前的2—3 dB下降到订正后0.75 dB以内;TRMM PR和南京雷达在245个匹配时次的平均反射率因子的相关系数从订正前的0.924增大到订正后的0.956,ZGR-PR的标准差从订正前的1.760 dB下降到订正后的1.222 dB;TRMM PR和南京雷达在105894个匹配点上的反射率因子相关系数从订正前的0.835增大到订正后的0.850,ZGR-PR的标准差从订正前的3.976 dB下降到订正后的3.538 dB。

当然,南京雷达数据的订正效果还有待于进一步的验证实验。验证方法如将订正前、后的回波强度转换为雨强,然后与回波区域内地面雨量计网的雨量值对比,也可以借助数值模式将订正前、后的回波强度同化,然后对比同化效果。

致谢:感谢中国科技大学傅云飞教授对本研究的数据收集工作的帮助,中国气象局武汉暴雨研究所的万玉发研究员和冷亮老师对本文所使用的南京雷达数据提供了SWAN系统的质量控制处理技术。

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